JP2022176937A - 光学エアデータシステムおよび方法 - Google Patents
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Abstract
【課題】飛行体のための光学エアデータシステムを提供すること。【解決手段】飛行体のための光学エアデータシステムが、LIDARモジュールと、データ処理モジュールとを含む。LIDARモジュールは、全てが共通平面内に位置するわけではない少なくとも3つのレーザビームを放出し、レーザビームの各々の後方散乱成分のLIDAR測定を実施するように構成される。データ処理モジュールは、プロセッサと、プロセッサによって実行されると、LIDAR測定値を処理し、少なくとも1つの光学ベースのエアデータパラメータを決定する機械読み取り可能な命令とを含む。レーザビームとLIDARモジュールの1つ以上の視野との間の重複は、飛行体から短距離における少なくとも1つの光学ベースのエアデータパラメータを決定するために、LIDARモジュールから2メートル以内にあり得る。【選択図】図2
Description
(関連出願の引用)
本願は、米国仮特許出願第62/358,924号(2016年7月6日出願)からの優先権の利益を主張し、上記出願は、その全体が参照により本明細書に引用される。
本願は、米国仮特許出願第62/358,924号(2016年7月6日出願)からの優先権の利益を主張し、上記出願は、その全体が参照により本明細書に引用される。
エアデータシステム(「ADS」)が、航空機安定性に影響を及ぼすエアパラメータをパイロット、ナビゲータ、または乗り物管理システムコンピュータに通知する感知テレメトリを提供する。これらのエアパラメータは、例えば、対気速度、気温、および気圧を含み、各々は、ナビゲーションおよび飛行制御のために有用である。ADSは、多くの形態において、例えば、機械的、光機械的、または光電子的デバイスとして存在する。
1つの機械的ADSは、航空機の外部に取り付けられるピトー管を含む。ピトー静的システムは、航空機の外部の空気を受け取り、気圧に基づいて対気速度を決定する空気圧式測定機器である。典型的なピトー静的システムは、複数の孔を通して受け取られた空気の圧力を測定するための圧力トランスデューサを使用する。決定された気圧は、対気速度を計算するために、周知のベルヌーイ方程式を使用して、空気密度測定値および気温測定値と組み合わせられる。パイロットおよび乗り物管理システムは、航空機安定性、飛行制御、ならびにナビゲーションに関する決定のためにこの情報を使用する。
ある実施形態では、飛行体のための光学エアデータシステムは、LIDARモジュールと、データ処理モジュールとを含む。LIDARモジュールは、全てが共通平面内に位置するわけではない少なくとも3つのレーザビームを放出し、レーザビームの各々の後方散乱成分のLIDAR測定を実施するように構成される。データ処理モジュールは、プロセッサと、プロセッサによって実行されると、LIDAR測定値を処理し、少なくとも1つの光学ベースのエアデータパラメータを決定する機械読み取り可能な命令とを含む。レーザビームとLIDARモジュールの1つ以上の視野との間の重複は、飛行体から短距離における少なくとも1つの光学ベースのエアデータパラメータを決定するために、LIDARモジュールから2メートル以内にあり得る。
ある実施形態では、飛行体のためのエアデータパラメータを決定する方法が、共通平面内に位置しない少なくとも3つのレーザビームからLIDAR測定値を取得することと、LIDAR測定値を処理し、少なくとも1つの光学ベースのエアデータパラメータを決定することとを含む。
本発明は、例えば、以下の項目を提供する。
(項目1)
飛行体のための光学エアデータシステムであって、前記光学エアデータシステムは、
全てが共通平面内に位置するわけではない少なくとも3つのレーザビームを放出することと、前記レーザビームの各々の後方散乱成分のLIDAR測定を実施することとを行うように構成されているLIDARモジュールと、
プロセッサと機械読み取り可能な命令とを含むデータ処理モジュールと
を備え、
前記命令は、前記プロセッサによって実行されると、前記LIDAR測定値を処理し、少なくとも1つの光学ベースのエアデータパラメータを決定する、光学エアデータシステム。
(項目2)
前記レーザビームと前記LIDARモジュールの視野との間の重複は、前記飛行体から2メートル以内の前記少なくとも1つの光学ベースのエアデータパラメータを決定するために、前記LIDARモジュールから2メートル以内にある、項目1に記載の光学エアデータシステム。
(項目3)
前記レーザビームの各々のために、前記LIDARモジュールは、光検出器を含み、前記光検出器は、前記LIDARモジュールから2メートル以内に前記それぞれのレーザビームと重複する視野を有する、項目2に記載の光学エアデータシステム。
(項目4)
前記機械読み取り可能な命令は、前記プロセッサによって実行されると、
前記LIDAR測定値の品質を評価し、許容可能な品質のLIDAR測定値を選択するステップと、
前記許容可能な品質のLIDAR測定値のみに基づいて、前記少なくとも1つの光学ベースのエアデータパラメータを決定するステップと
を実施するように構成されている、項目1に記載の光学エアデータシステム。
(項目5)
前記機械読み取り可能な命令は、前記プロセッサによって実行されると、前記決定するステップにおいて、前記飛行体の対気速度、大気温度、および大気圧を決定するように構成されている、項目4に記載の光学エアデータシステム。
(項目6)
前記機械読み取り可能な命令は、前記プロセッサによって実行されると、前記決定するステップにおいて、
許容可能な品質のLIDAR測定値が、全てが共通平面内に位置するわけではない4つ以上のレーザビームの各々に対して利用可能であるとき、前記飛行体のフルベクトル速度を決定することと、
許容可能な品質のLIDAR測定値が、前記レーザビームのうちの1つまたは2つのみに対して利用可能であるとき、前記飛行体の水線速度の推定値を決定することと
を行うように構成されている、項目4に記載の光学エアデータシステム。
(項目7)
前記少なくとも3つのレーザビームは、4つのレーザビームを含む、項目1に記載の光学エアデータシステム。
(項目8)
前記機械読み取り可能な命令は、前記プロセッサによって実行されると、
前記後方散乱成分に基づいて、LIDAR測定値の品質を評価し、許容可能な品質のLIDAR測定値を選択するステップと、
前記LIDAR測定値が、前記4つのレーザビームの各々に対して許容可能な品質であるとき、前記4つのレーザビームの全ての前記LIDAR測定値に基づいて、飛行体のフルベクトル速度を計算するステップと
を実施するように構成されている、項目7に記載の光学エアデータシステム。
(項目9)
前記機械読み取り可能な命令は、前記プロセッサによって実行されると、少なくとも1つの光学ベースのエアデータパラメータを前記LIDAR測定値に適合させ、前記少なくとも1つの光学ベースのエアデータパラメータを決定するように構成されている、項目1に記載の光学エアデータシステム。
(項目10)
前記LIDARモジュールは、前記レーザビームの各々に対して、エアロゾル散乱に基づく第1のLIDAR測定値と分子散乱に基づく第2のLIDAR測定値との両方を取得するように構成されている、項目1に記載の光学エアデータシステム。
(項目11)
前記機械読み取り可能な命令は、前記プロセッサによって実行されると、
前記第1のLIDAR測定値および前記第2のLIDAR測定値に基づいて、前記少なくとも1つの光学ベースのエアデータパラメータの2つの推定値をそれぞれ決定するステップと、
前記2つの推定値を評価し、前記少なくとも1つの光学ベースのエアデータパラメータを精緻化するステップと
を実施するように構成されている、項目10に記載の光学エアデータシステム。
(項目12)
前記機械読み取り可能な命令は、前記プロセッサによって実行されると、
前記第1のLIDAR測定値および前記第2のLIDAR測定値に基づいて、前記フルベクトル速度の2つの推定値をそれぞれ生成するステップと、
前記2つの推定値に基づいて、精緻化されたフルベクトル速度を決定するステップと
を実施するように構成されている、項目11に記載の光学エアデータシステム。
(項目13)
前記機械読み取り可能な命令は、前記プロセッサによって実行されると、(a)前記飛行体のフルベクトル速度、(b)前記分子散乱に基づく前記飛行体における大気温度、および、(c)前記分子散乱に基づく前記飛行体における大気圧を決定するように構成されている、項目10に記載の光学エアデータシステム。
(項目14)
前記機械読み取り可能な命令は、前記プロセッサによって実行されると、前記LIDAR測定値に基づいて、
前記飛行体のフルベクトル速度、大気温度、および大気圧を決定するステップと、
複数のエアデータパラメータのうちの別の1つに基づいて、前記フルベクトル速度、前記大気温度、および前記大気圧のうちの1つの正確度を評価するステップと
を実施するように構成されている、項目1に記載の光学エアデータデータシステム。
(項目15)
少なくとも1つの機械的エアデータパラメータを生成するための機械的センサシステムと、
飛行体の動作を少なくとも部分的に制御するための飛行制御システムと
をさらに含み、
前記飛行制御システムは、投票モジュールを含み、前記投票モジュールは、前記制御することを実施するために、前記少なくとも1つの光学ベースのエアデータパラメータおよび前記少なくとも1つの機械的エアデータパラメータから少なくとも1つの最終エアデータパラメータを選択する、前記飛行体において実装されている項目1に記載の光学エアデータシステム。
(項目16)
飛行体のためのエアデータパラメータを決定する方法であって、前記方法は、
共通平面内に位置しない少なくとも3つのレーザビームからLIDAR測定値を取得することと、
前記LIDAR測定値を処理し、少なくとも1つの光学ベースのエアデータパラメータを決定することと
を含む、方法。
(項目17)
前記取得するステップは、前記飛行体から2メートル以内の少なくとも1つの光学ベースのエアデータパラメータを決定するために、前記飛行体から2メートル以内の散乱事象から前記LIDAR測定値を取得することを含む、項目16に記載の方法。
(項目18)
前記処理するステップは、(a)分子散乱に基づくLIDAR測定値から大気圧および温度を決定することと、(b)エアロゾル散乱に基づくLIDAR測定値および分子散乱に基づくLIDAR測定値のうちの一方または両方からフルベクトル速度を決定することとを含む、項目16に記載の方法。
(項目19)
前記決定するステップは、少なくとも、前記分子散乱に基づくLIDAR測定値が有効なエアデータパラメータを提供するために不十分なエアロゾル濃度を伴う高度において、前記分子散乱に基づくLIDAR測定値から前記フルベクトル速度を決定することを含む、項目18に記載の方法。
(項目20)
少なくとも1つの機械的エアデータパラメータを取得することと、
前記少なくとも1つの光学ベースのエアデータパラメータおよび前記少なくとも1つの機械的エアデータパラメータを評価し、少なくとも1つの最終エアデータパラメータを決定することと
をさらに含む、項目16に記載の方法。
(項目21)
前記評価するステップは、
前記少なくとも1つの光学ベースのエアデータパラメータに基づいて、少なくとも1つの大気性質を識別することと、
前記少なくとも1つの大気性質に基づいて、前記少なくとも1つの光学ベースのエアデータパラメータおよび前記少なくとも1つの機械的エアデータパラメータの妥当性を評価することと
を含む、項目20に記載の方法。
(項目22)
前記少なくとも1つの大気性質に基づいて、少なくとも1つの機械的エアデータパラメータを破棄することをさらに含む、項目21に記載の方法。
(項目23)
前記少なくとも1つの大気性質は、エアロゾル質量密度およびエアロゾル濃度のうちの少なくとも1つを含む、項目21に記載の方法。
(項目24)
前記処理するステップは、
前記LIDAR測定値の品質を評価し、許容可能な品質のLIDAR測定値を選択することと、
前記許容可能な品質のLIDAR測定値のみに基づいて、前記少なくとも1つの光学ベースのエアデータパラメータを生成することと
を含む、項目16に記載の方法。
(項目25)
前記決定するステップは、
許容可能な品質のLIDAR測定値が、全てが共通平面内に位置するわけではない4つ以上のレーザビームの各々に対して利用可能であるとき、前記飛行体のフルベクトル速度を決定することと、
許容可能な品質のLIDAR測定値が、前記レーザビームのうちの1つまたは2つのみに対して利用可能であるとき、前記飛行体の水線速度を推定することと
を含む、項目24に記載の方法。
(項目26)
前記水線速度を推定するステップは、前記飛行体が、主として軸方向に進行していると仮定することを含む、項目25に記載の方法。
(項目27)
前記取得するステップは、改良された冗長性のために、全てが共通平面内に位置するわけではない4つのレーザビームからLIDAR測定値を取得することを含む、項目16に記載の方法。
(項目28)
前記決定するステップは、
前記LIDAR測定値の品質を評価し、許容可能な品質のLIDAR測定値を選択することと、
前記LIDAR測定値が、前記4つのレーザビームの各々に対して許容可能な品質であるとき、前記4つのレーザビームの全ての前記LIDAR測定値に基づいて、飛行体のフルベクトル速度を計算することと
を含む、項目27に記載の方法。
(項目29)
前記処理するステップは、少なくとも1つの光学ベースのエアデータパラメータを前記LIDAR測定値に適合させ、前記少なくとも1つの光学ベースのエアデータパラメータを決定することを含む、項目16に記載の方法。
本発明は、例えば、以下の項目を提供する。
(項目1)
飛行体のための光学エアデータシステムであって、前記光学エアデータシステムは、
全てが共通平面内に位置するわけではない少なくとも3つのレーザビームを放出することと、前記レーザビームの各々の後方散乱成分のLIDAR測定を実施することとを行うように構成されているLIDARモジュールと、
プロセッサと機械読み取り可能な命令とを含むデータ処理モジュールと
を備え、
前記命令は、前記プロセッサによって実行されると、前記LIDAR測定値を処理し、少なくとも1つの光学ベースのエアデータパラメータを決定する、光学エアデータシステム。
(項目2)
前記レーザビームと前記LIDARモジュールの視野との間の重複は、前記飛行体から2メートル以内の前記少なくとも1つの光学ベースのエアデータパラメータを決定するために、前記LIDARモジュールから2メートル以内にある、項目1に記載の光学エアデータシステム。
(項目3)
前記レーザビームの各々のために、前記LIDARモジュールは、光検出器を含み、前記光検出器は、前記LIDARモジュールから2メートル以内に前記それぞれのレーザビームと重複する視野を有する、項目2に記載の光学エアデータシステム。
(項目4)
前記機械読み取り可能な命令は、前記プロセッサによって実行されると、
前記LIDAR測定値の品質を評価し、許容可能な品質のLIDAR測定値を選択するステップと、
前記許容可能な品質のLIDAR測定値のみに基づいて、前記少なくとも1つの光学ベースのエアデータパラメータを決定するステップと
を実施するように構成されている、項目1に記載の光学エアデータシステム。
(項目5)
前記機械読み取り可能な命令は、前記プロセッサによって実行されると、前記決定するステップにおいて、前記飛行体の対気速度、大気温度、および大気圧を決定するように構成されている、項目4に記載の光学エアデータシステム。
(項目6)
前記機械読み取り可能な命令は、前記プロセッサによって実行されると、前記決定するステップにおいて、
許容可能な品質のLIDAR測定値が、全てが共通平面内に位置するわけではない4つ以上のレーザビームの各々に対して利用可能であるとき、前記飛行体のフルベクトル速度を決定することと、
許容可能な品質のLIDAR測定値が、前記レーザビームのうちの1つまたは2つのみに対して利用可能であるとき、前記飛行体の水線速度の推定値を決定することと
を行うように構成されている、項目4に記載の光学エアデータシステム。
(項目7)
前記少なくとも3つのレーザビームは、4つのレーザビームを含む、項目1に記載の光学エアデータシステム。
(項目8)
前記機械読み取り可能な命令は、前記プロセッサによって実行されると、
前記後方散乱成分に基づいて、LIDAR測定値の品質を評価し、許容可能な品質のLIDAR測定値を選択するステップと、
前記LIDAR測定値が、前記4つのレーザビームの各々に対して許容可能な品質であるとき、前記4つのレーザビームの全ての前記LIDAR測定値に基づいて、飛行体のフルベクトル速度を計算するステップと
を実施するように構成されている、項目7に記載の光学エアデータシステム。
(項目9)
前記機械読み取り可能な命令は、前記プロセッサによって実行されると、少なくとも1つの光学ベースのエアデータパラメータを前記LIDAR測定値に適合させ、前記少なくとも1つの光学ベースのエアデータパラメータを決定するように構成されている、項目1に記載の光学エアデータシステム。
(項目10)
前記LIDARモジュールは、前記レーザビームの各々に対して、エアロゾル散乱に基づく第1のLIDAR測定値と分子散乱に基づく第2のLIDAR測定値との両方を取得するように構成されている、項目1に記載の光学エアデータシステム。
(項目11)
前記機械読み取り可能な命令は、前記プロセッサによって実行されると、
前記第1のLIDAR測定値および前記第2のLIDAR測定値に基づいて、前記少なくとも1つの光学ベースのエアデータパラメータの2つの推定値をそれぞれ決定するステップと、
前記2つの推定値を評価し、前記少なくとも1つの光学ベースのエアデータパラメータを精緻化するステップと
を実施するように構成されている、項目10に記載の光学エアデータシステム。
(項目12)
前記機械読み取り可能な命令は、前記プロセッサによって実行されると、
前記第1のLIDAR測定値および前記第2のLIDAR測定値に基づいて、前記フルベクトル速度の2つの推定値をそれぞれ生成するステップと、
前記2つの推定値に基づいて、精緻化されたフルベクトル速度を決定するステップと
を実施するように構成されている、項目11に記載の光学エアデータシステム。
(項目13)
前記機械読み取り可能な命令は、前記プロセッサによって実行されると、(a)前記飛行体のフルベクトル速度、(b)前記分子散乱に基づく前記飛行体における大気温度、および、(c)前記分子散乱に基づく前記飛行体における大気圧を決定するように構成されている、項目10に記載の光学エアデータシステム。
(項目14)
前記機械読み取り可能な命令は、前記プロセッサによって実行されると、前記LIDAR測定値に基づいて、
前記飛行体のフルベクトル速度、大気温度、および大気圧を決定するステップと、
複数のエアデータパラメータのうちの別の1つに基づいて、前記フルベクトル速度、前記大気温度、および前記大気圧のうちの1つの正確度を評価するステップと
を実施するように構成されている、項目1に記載の光学エアデータデータシステム。
(項目15)
少なくとも1つの機械的エアデータパラメータを生成するための機械的センサシステムと、
飛行体の動作を少なくとも部分的に制御するための飛行制御システムと
をさらに含み、
前記飛行制御システムは、投票モジュールを含み、前記投票モジュールは、前記制御することを実施するために、前記少なくとも1つの光学ベースのエアデータパラメータおよび前記少なくとも1つの機械的エアデータパラメータから少なくとも1つの最終エアデータパラメータを選択する、前記飛行体において実装されている項目1に記載の光学エアデータシステム。
(項目16)
飛行体のためのエアデータパラメータを決定する方法であって、前記方法は、
共通平面内に位置しない少なくとも3つのレーザビームからLIDAR測定値を取得することと、
前記LIDAR測定値を処理し、少なくとも1つの光学ベースのエアデータパラメータを決定することと
を含む、方法。
(項目17)
前記取得するステップは、前記飛行体から2メートル以内の少なくとも1つの光学ベースのエアデータパラメータを決定するために、前記飛行体から2メートル以内の散乱事象から前記LIDAR測定値を取得することを含む、項目16に記載の方法。
(項目18)
前記処理するステップは、(a)分子散乱に基づくLIDAR測定値から大気圧および温度を決定することと、(b)エアロゾル散乱に基づくLIDAR測定値および分子散乱に基づくLIDAR測定値のうちの一方または両方からフルベクトル速度を決定することとを含む、項目16に記載の方法。
(項目19)
前記決定するステップは、少なくとも、前記分子散乱に基づくLIDAR測定値が有効なエアデータパラメータを提供するために不十分なエアロゾル濃度を伴う高度において、前記分子散乱に基づくLIDAR測定値から前記フルベクトル速度を決定することを含む、項目18に記載の方法。
(項目20)
少なくとも1つの機械的エアデータパラメータを取得することと、
前記少なくとも1つの光学ベースのエアデータパラメータおよび前記少なくとも1つの機械的エアデータパラメータを評価し、少なくとも1つの最終エアデータパラメータを決定することと
をさらに含む、項目16に記載の方法。
(項目21)
前記評価するステップは、
前記少なくとも1つの光学ベースのエアデータパラメータに基づいて、少なくとも1つの大気性質を識別することと、
前記少なくとも1つの大気性質に基づいて、前記少なくとも1つの光学ベースのエアデータパラメータおよび前記少なくとも1つの機械的エアデータパラメータの妥当性を評価することと
を含む、項目20に記載の方法。
(項目22)
前記少なくとも1つの大気性質に基づいて、少なくとも1つの機械的エアデータパラメータを破棄することをさらに含む、項目21に記載の方法。
(項目23)
前記少なくとも1つの大気性質は、エアロゾル質量密度およびエアロゾル濃度のうちの少なくとも1つを含む、項目21に記載の方法。
(項目24)
前記処理するステップは、
前記LIDAR測定値の品質を評価し、許容可能な品質のLIDAR測定値を選択することと、
前記許容可能な品質のLIDAR測定値のみに基づいて、前記少なくとも1つの光学ベースのエアデータパラメータを生成することと
を含む、項目16に記載の方法。
(項目25)
前記決定するステップは、
許容可能な品質のLIDAR測定値が、全てが共通平面内に位置するわけではない4つ以上のレーザビームの各々に対して利用可能であるとき、前記飛行体のフルベクトル速度を決定することと、
許容可能な品質のLIDAR測定値が、前記レーザビームのうちの1つまたは2つのみに対して利用可能であるとき、前記飛行体の水線速度を推定することと
を含む、項目24に記載の方法。
(項目26)
前記水線速度を推定するステップは、前記飛行体が、主として軸方向に進行していると仮定することを含む、項目25に記載の方法。
(項目27)
前記取得するステップは、改良された冗長性のために、全てが共通平面内に位置するわけではない4つのレーザビームからLIDAR測定値を取得することを含む、項目16に記載の方法。
(項目28)
前記決定するステップは、
前記LIDAR測定値の品質を評価し、許容可能な品質のLIDAR測定値を選択することと、
前記LIDAR測定値が、前記4つのレーザビームの各々に対して許容可能な品質であるとき、前記4つのレーザビームの全ての前記LIDAR測定値に基づいて、飛行体のフルベクトル速度を計算することと
を含む、項目27に記載の方法。
(項目29)
前記処理するステップは、少なくとも1つの光学ベースのエアデータパラメータを前記LIDAR測定値に適合させ、前記少なくとも1つの光学ベースのエアデータパラメータを決定することを含む、項目16に記載の方法。
従来技術のADSは、限定を有する。ピトー静的システムに関して、例えば、航空機速度が低すぎる場合、圧力トランスデューサは、有意義なテレメトリデータを提供するための必須の感度を欠き得、それによって、トランスデューサ信号雑音または誤差は、圧力測定における有意差を上回り得る。代替として、速度が非常に高い(例えば、超音速)である場合、ベルヌーイの方程式における空気流の非圧縮性に関するそれら等のある仮定が犯され、測定は、不正確である。したがって、そのようなシステムは、正確な速度感知のために圧力下限を有する。故に、ベルヌーイの方程式は、種々の破られた仮定を補償するために改変されなければならない。この補償プロセスは、高度および空気密度の急速に変化する条件において継続しなければならない。最後に、従来技術のADSは、航空機垂直および側方対気速度を直接測定することができず、迎角センサまたは航空機分散静圧センサに依拠する。方法は、大きい迎角または横滑り角において非常に不正確である。
加えて、特に、着氷および危険な気象条件において、従来技術の従来のピトー静的システムに対する脆弱性が存在する。例えば、ピトー管は、いくつかの危険な気象条件において着氷した状態になり、誤った対気速度読み取りを引き起こし得る。これは、パイロットの航空機の対気速度の理解および航空機の安全な動作の喪失をもたらす。これらのピトー静的システムは、地上整備員が飛行に先立って保護ソックスを除去し忘れること、および虫が管内に巣を張ること等の事象によっても損なわれ、それによって、ピトー静的システムを使用不能にする。したがって、測定されるエアデータパラメータの信頼性および利用可能性を増加させるために、従来の(機械的)エアデータシステムを光学エアデータシステム等のシステムを用いて増強する必要性、またはそれと置換する必要性がある。
1つの改良は、対気速度のパラメータを決定するために光を使用する光学エアデータシステム(「OADS」)である。光学エアデータシステムは、光を大気中に伝送し、航空機に向かうエアロゾルおよび空気分子から反射または「後方散乱」されて戻る光を受け取る。エアロゾルは、空気中に懸濁される微細な固体および/または液体粒子であり、分子は、窒素および酸素ならびに他の大気構成物を含む。光学エアデータシステムは、ドップラー効果も測定し、後方散乱光を受け取り、戻り周波数を測定し、速度を決定し得る。
しかしながら、エアロゾル散乱のみに依拠する光学エアデータシステムは、変動するエアロゾル分布により、信頼性がない。例えば、エアロゾル分布は、高度および雲の含有量とともに有意に変動する。加えて、大気のいくつかの領域は、信頼性のあるエアデータ測定を可能にするためには少なすぎるエアロゾルを含む。したがって、エアロゾルベースのOADSは、現代の航空機が頻繁に使用する全ての高度において対気速度を決定することができない。最後に、エアロゾル散乱のみに依拠するOADSは、気温または気圧を決定することができない。気温および気圧は、空気密度およびマッハ数を決定するために重要なエアデータパラメータである。したがって、エアロゾル散乱のみに依拠する光学エアデータシステムおよび方法を改良する必要性がある。
本明細書において、上で議論される問題を少なくとも部分的に克服する光学エアデータシステムが、開示される。光学エアデータシステムの各々は、エアデータ測定値を取得するためにマルチビーム光検出および測距(LIDAR)モジュールを利用し、ピトー静的システムのいかなる測定基礎も共有しないエアデータソリューションを提供する。LIDARモジュールは、ピトー静的システムのいかなる測定基礎も共有せず、したがって、従来のエアデータシステムに対して冗長であり、かつ従来のエアデータシステムに一般的ないかなる故障モードも有していないエアデータ測定値を提供する。
本開示される光学エアデータシステムの一実装では、光学エアデータシステムは、全ての気象条件および全ての高度における全てのエアデータパラメータ、大気温度、大気圧、ならびにフルベクトル速度(真の対気速度)を提供することによって、従来のエアデータセンサを増強または置換し得る。従来のエアデータシステムを増強するように構成される実装では、光学エアデータシステムは、(a)従来のエアデータシステムと通信可能に結合され、(b)従来のエアデータシステムを含み、または、(c)従来のエアデータシステムとも通信可能に結合される飛行制御システムと通信可能に結合され得る。ある実施形態では、本明細書に開示される光学エアデータシステムは、従来技術のエアデータシステムと比較して、エアデータ測定値の増加された利用可能性を提供する。随意に、本開示される光学エアデータシステムのLIDARモジュールは、航空機から1または数メートル以内等の短距離において測定値を取得し、それによって、厳しい気象条件における光学エアデータの利用可能性を改良することが可能である。
図1および2は、飛行体190にオンボードで実装される一例示的光学エアデータシステム(OADS)100を図示する。飛行体190は、航空機、ヘリコプタ、または他の飛行体であり得る。図1は、航空機にオンボードで実装されるような例示的使用シナリオにおけるOADS100を示す。図2は、OADS100の概略ブロック図である。図1および2は、合わせて最良に視認される。
OADS100は、LIDARモジュール110と、データ処理モジュール120とを含む。LIDARモジュール110は、3つ以上のレーザビームを放出し、大気によって後方反射されたレーザビームの成分を検出する3つ以上のレーザ送受信機210を含む。後方反射成分は、エアロゾルからのミー散乱(エアロゾル散乱)および/または分子からのレイリー散乱(分子散乱)によって生産され得る。ある実施形態では、各レーザ送受信機210は、エアロゾル散乱および分子散乱の両方に感受性がある。本実施形態では、LIDARモジュール110は、大気境界層、雲、および着氷事象において見出されるもの等の高エアロゾル負荷環境からの全てのエアロゾル負荷条件において、および30,000フィート以上の一般的な航空機動作高度等におけるエアロゾルが殆どまたは全く存在しない環境において効率的に動作する。高高度において、一般的に、分子散乱のみが存在し、エアロゾル散乱のみに感受性があるLIDARシステムは、失敗し得る。レイリー/ミーLIDARモジュールの使用は、概して、高データ利用可能性を伴い、いかなるデータ欠落またはセンサ故障も伴わずに、地上レベルから輸送航空機巡航高度およびそれを上回るものまでの全ての航空機動作高度において、全てのエアデータパラメータの測定を確実にする。
データ処理モジュール120は、後方反射成分の測定値を処理し、対気速度、大気圧、大気温度、迎角および横滑り角等の航空機配向、ならびに/または部分的エアロゾル散乱等のエアデータパラメータを生成する。LIDARモジュール110は、全てが同一平面上にあるわけではない3つ以上の異なる伝搬方向に沿ってレーザビームをそれぞれ放出する、3つ以上のレーザ送受信機210で構成される。この幾何学形状によって、OADS110は、例えば、軸方向速度(水線速度としても公知である)、側方速度、および垂直速度の観点から分解される、飛行体190の座標枠における飛行体190のフルベクトル速度を決定することが可能である。
3つ以上のレーザ送受信機210は、レーザビームを個々に生成するために3つ以上のそれぞれのレーザを含むか、もしくは代替として、1つのレーザ等のより少ない数のレーザから3つ以上のレーザビームを生成するために適切な光学を含み得る。同様に、3つ以上のレーザ送受信機210は、各レーザビームのために1つの光検出器を含み得るか、もしくは代替として、3つ以上のレーザ送受信機210は、より少ない数の光検出器を共有し得る。図2は、3つを超えて1つのみの随意のレーザ送受信機210を示すが、LIDARモジュール110は、本明細書の範囲から逸脱することなく、3つを超えていくつかのレーザ送受信機210を含み得る。
データ処理モジュール120は、プロセッサ240と、機械読み取り可能な命令260を含む非一過性メモリ250とを含む。メモリ250は、例えば、非揮発性メモリである。データ処理モジュール120は、コンピュータまたはマイクロプロセッサの形態において実装され得る。命令260は、プロセッサ240による実行時、LIDARモジュール110から受信された測定値を処理し、対気速度、大気圧、および/または温度等の1つ以上のエアパラメータを決定するLIDAR命令262を含む。この目的のために、LIDAR命令262は、米国特許第8,072,584号(参照することによってその全体として本明細書に組み込まれる)に開示されるもの等のアルゴリズムを含み得る。データ処理モジュール120は、飛行体190にオンボードの飛行制御システム280と通信可能に結合され得、その場合、飛行制御システム280は、データ処理モジュール120によって生成されたエアパラメータを利用し得る。
ある実装では、飛行体190は、従来のセンサシステム130、例えば、ピトー静的システムをさらに具備する。これらの実装では、飛行体190は、OADS100および従来のセンサシステム130の両方から受信されたエアデータを利用し得る。一実施形態では、OADS100は、従来のセンサシステム130を含む。この実施形態では、命令260は、プロセッサ240による実行時、従来のセンサシステム130から受信された測定値を処理し、対気速度、大気圧、および/または温度等の1つ以上のエアパラメータを決定する従来の命令264を含み得る。別の実施形態では、OADS100および従来のセンサシステム130は、飛行制御システム280と通信可能に結合される。飛行制御システム280は、より良好な品質および正確度であると予期されるエアデータを選択するために、データ処理モジュール120からの光学ベースのエアデータおよび従来のセンサシステム130からの従来のエアデータの両方を集合的に考慮する投票モジュール282を含み得る。投票モジュール282は、飛行制御システム280内の非一過性メモリ内にエンコードされる機械読み取り可能な命令を含み得、命令は、飛行制御システム280内のプロセッサによって実行されると、投票アルゴリズムをエアデータに適用し、最も正確なエアデータを選択し、および/または、より正確であると予期されるエアパラメータにより大きな重みを与える。
図3は、飛行体190にオンボードで実装されるLIDARモジュール110の一例示的構成を示す。レーザ送受信機210が、窓392の後方に位置付けられる。窓392は、飛行体190の局所表面390の外側モールド線合わせられ得る。レーザ送受信機210は、少なくとも3つのレーザビーム310を放出する。これらの少なくとも3つのレーザビーム310は、全てが同一平面上にあるわけではない。この構成は、真の対気速度測定値をもたらす側方および垂直速度、ならびに軸方向飛行線速度(水線速度)の決定を確実にする。航空機水線速度、航空機垂直速度、および航空機側方速度を、これらの測定値に基づくメトリックとともに提供することは、従来のエアデータシステムから以前には利用可能でなかった航空機制御データを提供する。データ処理モジュール120は、改良された航空機制御、したがって、増加された飛行安全性および乗り心地のために、この情報を飛行制御システム280に中継し得る。
図3に示される構成の一例では、各レーザビーム310は、LIDARモジュール110の法線ベクトルから離れるように、約45度等の約30~60度の角度における方向に伝搬する。LIDARモジュール110の法線ベクトルは、飛行体190の縦方向軸に沿って向けられ得る。
LIDARモジュール110から、OADS100によって処理される後方反射レーザ光を生産する散乱源までの距離である測定値が取得される範囲は、レーザビーム310とレーザ送受信機210の視野との間の重複によって決定される。一実施形態では、LIDARモジュール110は、この重複がLIDARモジュール110から離れて約1または数メートルであるように構成される。1つのそのような例では、重複は、LIDARモジュール110から約1メートルにおいて最適であり、LIDARモジュール110から約0.5~2メートルの範囲に及び得る。この構成は、飛行体190の直近から光学ベースのエアパラメータを取得することを可能にし、それは、気象誘発失敗のリスクを低減させる。例えば、この短距離構成は、OADS100が、飛行体190が集中豪雨、霧、または雲の中にあり、長距離信号が消失するであろうとき等、長距離測定が失敗するであろう条件においても、有効なエアデータを提供し得ることを確実にする。さらに、LIDARモジュール110は、飛行体の内部に、飛行体190の外側モールド線に合った窓392の後方に搭載されるので、OADS100は、従来のシステムのように着氷を受けやすくない。LIDARモジュール110は、一般的に着氷区域と見なされる飛行体190の前縁上に搭載される必要はない。したがって、OADS100は、従来のエアデータセンサよりも航空機着氷問題をはるかに受けにくく、少なくともその短距離構成において、OADS100は、そうでなければ着氷に関連付けられる条件において有効なエアデータを提供する。
ある実施形態では、レーザ送受信機210は、4つの異なる方向に沿って伝搬する4つ以上のレーザビーム310をそれぞれ放出し、それらは、3ビームシステムのそれを超える追加の冗長性を提供する。一例では、OADS100は、4つのレーザビーム310を含み、各レーザビーム310は、LIDARモジュール110の法線ベクトルに対して約45度等の30~60度である方向に伝搬する。レーザビーム310は、LIDARモジュール110の正面のLIDARモジュール110の法線ベクトルを中心とする円上の各90度に位置する点に向けられ得る。つまり、レーザビーム310は、この円上で実質的に等距離である。この構成は、センサ動眼視野(sensor fields of regard)(レーザビーム310とレーザ送受信機212の視野との間の重複の区域)間に適正な距離を提供し、日光飽和、水または金属表面からの鏡面眩輝等が複数のレーザ送受信機210からの測定を同時に妨げ得ないことを確実にする。したがって、3つを超える追加のレーザビーム310が、OADS100の信頼性およびそれから生産されるエアパラメータの利用可能性を改良する。加えて、3つを超える追加のレーザビーム310は、追加のデータを提供する追加の測定値を提供し、順に、第1の3つレーザビーム310から取得される測定値に優る追加の正確度を提供する。これは、全体的測定正確度を増加させ、ある程度の冗長性を提供する。
再び図2を参照すると、3つ以上のレーザ送受信機210からの測定値を処理するとき、データ処理モジュール120は、エアパラメータを測定値に適合させ得る。LIDAR命令262は、この目的のために適合命令を含み得る。
加えて、LIDAR命令262は、互いに対する、および飛行体190に対する各レーザビーム310の既知の幾何学形状を利用し、1つまたは2つのみのレーザ送受信機210が有効な測定値を生産するときであっても、有効かつ有用なエアパラメータ(例えば、対気速度、温度、および/または圧力)を生成し得る。これらのエアパラメータは、3つ以上の完全に機能するレーザ送受信機210を用いて取得されるものと比較して、若干低下し得る。しかしながら、OADS100は、例えば、単一のレーザ送受信機210に基づいて、水線速度(またはその推定値)、温度、および圧力を取得し得る。水線速度決定は、飛行体190の運動の事前決定された方向を利用し得る。一例では、OADS100は、飛行体190が主としてその軸方向に移動しているという仮定に基づいて、単一のレーザ送受信機210から水線速度を決定する。送受信機失敗に対するこの復元力は、OADSからの重要なデータ利用可能性を有意に増加させ、したがって、システム安全性およびデータ信頼性を改良する。
本明細書の範囲から逸脱することなく、データ処理モジュール120は、少なくとも3つのレーザビーム310を生成するサードパーティLIDARモジュールからLIDAR測定値を受信するように構成されるスタンドアロンシステムであり得る。さらに、LIDAR命令262は、非一過性メモリ内にエンコードされ、サードパーティコンピュータシステム上でのインストールのために構成されるスタンドアロンソフトウェア製品として供給され得る。
図4は、レーザ源410と、検出器420とを含む一例示的レーザ送受信機400を図示する。レーザ源410は、例えば、レーザまたはその入力端においてレーザ光を受け取る光ファイバの出力端である。レーザ送受信機400は、光学430をさらに含む。光学430は、いくつかの光学要素を含み得る。レーザ送受信機400は、レーザ送受信機210のある実施形態である。
動作時、光学430は、レーザ源410からレーザ光を受け取り、レーザビーム310のある例であるレーザビーム412を形成する。光学430は、視野422(線424と426との間の円錐として図式的に示される)からの光をさらに収集し、この収集された光を検出器420に向かわせる。視野422は、光学430から距離450と452との間に延びている重複領域440内のレーザビーム412と一致し、したがって、検出器420によって検出される光の少なくとも一部は、重複領域440内で後方散乱されるレーザビーム412の成分である。図4は、距離450および452において明確な限界を有するものとして重複領域440を示すが、重複領域440は、例えば、ガウスビーム性質に関連付けられるようなより緩やかな境界を有し得ることを理解されたい。ある実施形態では、重複領域440は、光学430から離れて約1または数メートルである。例えば、送受信機400は、窓392の後方のLIDARモジュール110内に実装され得、したがって、重複領域440は、窓392から約0.5~2メートルの範囲に及ぶ。
図5は、レーザ光を出力し、後方散乱光を検出するための別個の光路を伴う一例示的レーザ送受信機500を図示する。レーザ送受信機500は、レーザ送受信機400のある実施形態である。レーザ送受信機500は、レーザ源410と、検出器420とを含む。レーザ送受信機500は、レーザ光学530と、検出光学540とをさらに含む。レーザ光学530は、レンズ532を含み、検出光学540は、レンズ542を含む。レーザ光学530および検出光学540のうちの一方または両方は、1つ以上のミラーおよび/もしくはフィルタ等の追加の光学要素を含み得る。レーザ光学530と検出光学540とは、光学430のある実施形態を一緒に形成する。
動作時、レーザ光学530は、レーザ源410からレーザ光を受け取り、レーザビーム512を形成する。レーザビーム512は、レーザビーム412のある実施例である。レンズ532は、レーザ源410によって出力されたレーザ光を収集し、このレーザ光をコリメートまたは略コリメートし、レーザビーム512を形成する。少なくともレンズ542による、検出光学540は、視野522(視野422のある例)を有する。レーザ光学530および検出光学540は、視野522が重複領域440内でレーザビーム512と重複するように協働的に構成される。例証の明確化のために、重複領域440は、図5に示されない。レンズ542は、視野522からの光を収集し、検出光学540は、この収集された光を検出器420に向かわせる。LIDARモジュール110内に実装されるとき、レーザ光学530および検出光学540は、窓392の後方に位置付けられる。
図6および7は、一例示的レーザ送受信機600の光学的構成を図示する。図6および7は、座標系690によって示されるように、レーザ送受信機600の光学的構成のそれぞれの互いに直交する図を示す。図6および7は、レーザ送受信機600に対する光線追跡シミュレーションの結果をさらに示す。図6および7は、以下の説明において合わせて最良に視認される。レーザ送受信機600は、レーザビーム生成および後方散乱光検出のための別個の光路を有する。レーザ送受信機600は、レーザ送受信機500のある実施形態である。
レーザビーム生成経路において、レーザ送受信機600は、レーザ源610と、ミラー650と、コリメートレンズ632とを含む。レーザ源610は、例えば、レーザまたはその入力端において光ファイバに結合されるレーザ光を伝送する光ファイバの出力端であり、光ファイバの出力端は、結合レンズを具備し得る。動作時、ミラー610は、レーザ源610によって出力されたレーザ光614をコリメートレンズ632に向かわせ、コリメートレンズ632は、レーザ光614をコリメート(または略コリメート)し、レーザビーム612を形成する。レーザビーム612は、レーザビーム512のある例である。
後方散乱光検出経路において、レーザ送受信機600は、ミラー660と、収集レンズ642と、受光端620を有する検出器とを含む。一実施形態では、受光端620は、光ファイバ(随意に、結合レンズを具備する)の一方の端部であり、光ファイバの他方の端部は、光検出器に直接または間接的に結合される。別の実施形態では、受光端620は、光検出器の感光性部分である。収集レンズ642は、受光端620の視野422(図4参照)のサイズを画定する。収集レンズ642およびミラー660は、受光端620の視野422を重複領域440(図4参照)のレーザビーム612と一致させるように構成される。動作時、ミラー660は、光622を収集レンズ642に向け直し、収集レンズ642は、光622を受光端620上に集中させる。光622は、重複領域440内のレーザビーム612から後方散乱される光を含む。
例証の明確化のために、図6および7は、視野422を明示的に示していない。代わりに、視野422は、光622を形成する光線の束によって示される。重複領域440は、図6および7のビューの外にある。しかしながら、レーザビーム612は、若干正のy方向に伝搬し(図7で最も明確に見られる)、したがって、図6および7のビューの外で光622によって示されるような視野422と交差する。
一実施形態では、コリメートレンズ632は、25ミリメートル(mm)の直径および50mmの有効焦点距離を有し、収集レンズ642は、6.5mmの直径および18.4mmの有効焦点距離を有する。コリメートレンズ632および収集レンズ642のうちの一方または両方は、非球面レンズであり得る。
図8は、レーザ送受信機600に対する例示的重複関数を示す。図8は、レーザ送受信機600からの距離の関数として、光622として後方散乱され、送受信機600によって検出されるレーザビーム612の電力の割合をプロットする。重複関数が検出された光622に対して満足のいく信号品質を提供する距離の範囲は、重複領域440を定義する。図8の重複関数は、レーザ送受信機600から約0.95メートルの距離においてピークに達する。一実施例では、図8の重複関数は、レーザ送受信機600から約0.8メートル~1.2メートルの範囲に及ぶ重複領域440を定義する。
図9は、全てが共通平面内にあるわけではない、少なくとも3つの異なるレーザビームを有する、LIDARモジュールによって提供される光学測定値からエアデータパラメータを決定するための一例示的方法900を図示する。方法900は、例えば、飛行体190のためのエアデータパラメータを決定するために、OADS100によって実施され得る。
ステップ910において、方法900は、3つ以上のレーザビームからLIDAR測定値を取得する。ステップ910の一例では、OADSは、3つ以上のレーザ送受信機210を使用し、LIDAR測定を実行する。一実施形態では、ステップ910は、エアロゾル散乱測定値を取得するステップ912を含む。ステップ912の一例では、レーザ送受信機210は、ミー散乱に感受性があり、エアロゾル散乱測定値は、例えば、米国特許第8,072,584号に議論されるように取得される。別の実施形態では、ステップ910は、分子散乱測定値を取得するステップ914を含む。ステップ914の一例では、レーザ送受信機210は、レイリー散乱に感受性があり、分子散乱測定値は、例えば、米国特許第8,072,584号に議論されるように取得される。また別の実施形態では、ステップ910は、ステップ912およびステップ914の両方を含む。本実施形態の一例では、レーザ送受信機210は、ミー散乱およびレイリー散乱の両方に感受性があり、エアロゾルおよび分子散乱測定値は、例えば、米国特許第8,072,584号に議論されるように取得される。
随意のステップ920において、方法900は、無効なLIDAR測定値を破棄する。ステップ920の一例では、データ処理モジュール120は、送受信機誤動作または送受信機の適切な動作範囲外である条件に起因して、1つ以上のレーザ送受信機210からの測定値を破棄する。例えば、データ処理モジュール120は、1つのレーザ送受信機210から受信された測定値を処理し、このレーザ送受信機が日光によって飽和していると決定し得、それに応じて、データ処理モジュール120は、このレーザ送受信機から受信された測定値を無視する。LIDAR命令262は、レーザ送受信機210が飽和しているか、または別様に誤動作しているかを決定するための命令を含み得る。
ステップ930において、方法900は、LIDAR測定値からエアデータパラメータを決定する。ステップ930の一例では、データ処理モジュール120は、LIDARモジュール110から受信されたLIDAR測定値を処理し、エアデータパラメータを決定する。ステップ930は、例えば、当分野で公知の適合技法を使用して、エアデータパラメータをLIDAR測定値に適合させるステップ931を含み得る。ステップ931は、必要ではないが、4つ以上のレーザ送受信機210からのLIDAR測定値を利用し得る。ステップ930は、2つ以下のレーザ送受信機からエアデータパラメータを決定するステップ932を含み得る。
ステップ930は、ステップ933、934、および935のうちの1つ、2つ以上、または全てを含み得る。ステップ933は、飛行体190のフルベクトル速度(真の対気速度)を決定する。ステップ934は、飛行体190における大気温度を決定する。ステップ935は、飛行体190における大気圧を決定する。ステップ933は、エアロゾル散乱測定値および/または分子散乱測定値に依拠し得、ステップ933は、米国特許第8,072,584号に議論されるように実施され得る。ステップ934および935の各々は、分子散乱測定値に依拠し得、米国特許第8,072,584号に議論されるように実施され得る。随意に、ステップ930は、エアロゾル質量密度、タイプ、および/またはサイズを決定するステップ936を含む。ステップ936は、エアロゾル散乱測定値に依拠する。このエアロゾル特性評価情報は、従来およびOADSセンサ測定値間の連合投票アーキテクチャにおいて使用され得る。加えて、このデータは、従来のエアデータシステムによって測定可能ではない大気条件についての情報を提供するために使用され得る。大気温度(例えば、ステップ934において決定される)との組み合わせにおけるエアロゾル質量密度は、着氷条件または潜在的着氷区域の指示、ならびに火山灰、雲、および着氷層の決定を可能にする。
ある実施形態では、ステップ930は、エアロゾル散乱ベースのエアデータパラメータのために不十分なエアロゾル濃度を伴う高度において(例えば、エアロゾル濃度が、概して、低すぎ、適正なエアロゾル散乱測定値を生成することができない15,000フィートを上回る高度において)エアデータパラメータを決定するために、分子散乱測定値を使用するステップ937を含む。随意に、ステップ930は、エアデータパラメータのうちの1つ以上のものに対して、同じエアデータパラメータの2つの独立した推定値を生成するステップ938を含む。そのようなエアデータパラメータに対して、ステップ938は、エアロゾル測定値に基づく1つの推定値と分子散乱測定値に基づく別の推定値とを生成する。
方法900は、エアデータパラメータに対してエラーチェックを実施するステップ940をさらに含み得る。ステップ940は、そのようなエラーチェックを使用し、方法900によって出力されたエアデータパラメータを精緻化し得る。例えば、ステップ940は、ステップ938において生成された1つのエアデータパラメータの2つの異なる推定値を比較し、これらの2つのエアデータパラメータのうちのいずれがより正確であるかを決定し得る。加えて、ステップ940は、この比較を利用し、大気条件についての情報を取得し、他のエアデータパラメータを精緻化、破棄、または選択するためにこの情報を適用し得る。例えば、ステップ940は、エアロゾル測定値が、例えば、不十分なエアロゾル濃度に起因して不正確であることを決定し、それに基づいて、全てのエアロゾル測定値を破棄するか、または、エアロゾル測定値に基づく全てのエアデータパラメータを破棄し得る。ステップ940は、データ処理モジュール120によって実施され得る。分子散乱およびエアロゾル散乱を介して対気速度を測定する能力ならびに2つの間を区別する能力は、豪雨等の厳しい気象の場合におけるエラーチェックのための追加の能力を提供する。別の例では、ステップ940は、1つのエアデータパラメータを使用し、別のエアデータパラメータの妥当性を評価する。例えば、1つのエアデータパラメータは、別のエアデータパラメータが不正確であると予期される大気条件を示し得る。
ステップ920および930、ならびに、随意に、940は、LIDAR測定命令262としてOADS100内に実装され得る。
本明細書の範囲から逸脱することなく、ステップ910は、LIDARモジュールからLIDAR測定値を受信するステップによって置換され得る。この場合、方法900は、データ処理モジュール120のみによって実施され得、方法900は、LIDAR命令262の少なくとも一部としてメモリ250内にエンコードされ得る。
図9に示されないが、方法900は、エアデータパラメータを飛行制御システム280等の飛行制御システムに通信するステップを含み得る。
図10Aおよび10Bは、方法1000によって生成された光学ベースのエアデータパラメータに信頼性があることを確実にするために、LIDAR信号品質を評価し、一貫性チェックを実施しながら、LIDAR測定値からエアデータパラメータを決定するための一例示的方法1000を図示する。方法1000は、方法900のある実施形態であり、例えば、飛行体190のためのエアデータパラメータを決定するために、OADS100によって実施され得る。図10Aは、方法1000の第1の部分を示し、図10Bは、方法1000の第2の部分を示す。図10Aおよび10Bは、以下の説明において合わせて最良に視認される。
方法1000は、最初に、全てが共通平面内に伝搬するわけではない、少なくとも3つのレーザビームの各々に対して副次的方法1002を実施する。一例では、方法1000は、図3に示されるレーザビーム310等、OADS100のレーザ送受信機210によって生成された3つ以上のレーザビームの各々に対して副次的方法1002を実施する。
副次的方法1002は、レーザビームに対する送受信機データを取得するステップ1010を含む。ステップ1010の一例では、レーザ送受信機420は、視野422からの光を検出する。副次的方法1002は、LIDAR信号品質を評価するために、ステップ1010において取得された送受信機データを処理するステップ1020をさらに含む。ステップ1020は、信号対雑音比、信号ドロップアウトの持続時間および/または頻度、ならびに送受信機の飽和のうちの1つ以上のもの等、LIDAR信号品質を示す1つ以上のメトリックを評価し得る。ステップ1020の一例では、プロセッサ240は、送受信機データのLIDAR信号品質を評価するために、LIDAR命令262の一部を実行する。次に、副次的方法1002は、ステップ1030を実施する。ステップ1030は、LIDAR信号品質が許容可能であるかどうかを決定する。ステップ1030の一例では、プロセッサ240は、ステップ1020において決定された1つ以上のLIDAR信号品質メトリックをそれぞれの閾値と比較するために、LIDAR命令262の一部を実行する。例えば、ステップ1030は、LIDAR信号に対する信号対雑音比が2(または別の好適な閾値)を上回ることを要求し得る。
一実施形態では、ステップ1030は、エアロゾル散乱および分子散乱に対するLIDAR信号品質を別個に評価する。ステップ1030は、エアロゾル散乱ベースのLIDAR信号および分子散乱ベースのLIDAR信号のうちの両方または一方のみが許容可能であることを見出し得る。
ステップ1030が、LIDAR信号品質が許容可能ではないと決定する場合、副次的方法1002は、この特定のレーザビームに対する送受信機データを破棄するステップ1040に進む。ステップ1030が、LIDAR信号品質が許容可能であると決定する場合、副次的方法1002は、LIDAR信号から送受信機特定エアデータパラメータを計算するステップ1050に進む。ステップ1050は、プロセッサ240によってLIDAR命令262の一部の実行を通して実施され得る。
ステップ1050は、ステップ1052、1054、および1056のうちの1つ、2つ、または全てを含み得る。ある実施形態では、ステップ1050は、少なくともステップ1052を含む。ステップ1052は、例えば、米国特許第8,072,584号に概説されるように、レーザビームの方向に沿った飛行体190の速度を計算する。ステップ1054は、例えば、米国特許第8,072,584号に概説されるように、重複領域440における大気温度を計算する。ステップ1056は、例えば、米国特許第8,072,584号に概説されるように、重複領域440における大気圧を計算する。ステップ1050は、エアロゾル散乱および/または分子散乱に基づいて、送受信機特定エアデータパラメータを取得し得る。エアロゾル散乱および分子散乱データの両方が利用可能であるとき、ステップ1050は、エアロゾル散乱および分子散乱にそれぞれ基づいて、別個の送受信機値を生成し得る。代替として、ステップ1050は、任意の所与の送受信機特定エアデータパラメータ(例えば、対気速度、温度、または圧力)の基礎をエアロゾル散乱または分子散乱のいずれかもしくはそれらの組み合わせに置き得る。
少なくとも3つのレーザビームの各々に対して副次的方法1002を実施した後、方法1000は、送受信機特定エアデータパラメータの一貫性をチェックするステップ1060に進む。ステップ1060は、外れ値である任意の送受信機特定エアデータパラメータを破棄する。ステップ1060は、ステップ1062および1064のうちの一方または両方を含み得る。ステップ1062は、異なる送受信機から取得された送受信機特定エアデータパラメータの一貫性をチェックする。ステップ1062の一例では、プロセッサ240は、LIDAR命令262の一部を実行し、(a)メモリ250から、ステップ1050において決定されるような異なる送受信機に関連付けられる送受信機特定エアデータパラメータを読み出し、(b)これらの送受信機特定エアデータパラメータを互いに比較し、(c)外れ値であると決定される任意の送受信機特定エアデータパラメータを破棄する。ステップ1064は、同一の送受信機から取得された送受信機特定エアデータパラメータの経時的な一貫性をチェックする。ステップ1064の一例では、プロセッサ240は、LIDAR命令262の一部を実行し、(a)メモリ250から、同一の送受信機からステップ1050において取得された時系列の送受信機特定エアデータパラメータを読み出し、(b)これらの送受信機特定エアデータパラメータを互いに比較し、(c)外れ値であると決定される任意の送受信機特定エアデータパラメータを破棄する。ステップ1064は、ステップ1050において処理されたレーザビームの各々に対してこのプロセスを繰り返し得る。
ステップ1060において任意の外れ値を破棄した後、方法1000は、ステップ1050において決定され、ステップ1060において破棄されなかった送受信機特定エアデータパラメータに基づいて、光学ベースのエアデータパラメータを計算するステップ1070に進む。ステップ1054を含む方法1000の実施形態では、ステップ1070は、ステップ1072を含み得る。ステップ1056を含む方法1000の実施形態では、ステップ1070は、ステップ1076を含み得る。ステップ1052を含む方法1000の実施形態では、ステップ1070は、ステップ1080を含み得る。ステップ1072、1076、および1080の各々は、プロセッサ240によって、メモリ250から対応する送受信機特定エアデータパラメータを読み出し、LIDAR命令262のそれぞれの部分を実行することによって実施され得る。
ステップ1072は、大気温度を決定する。大気温度の2つ以上の送受信機特定尺度が、ステップ1054において取得され、ステップ1060において保持される場合、ステップ1074は、複数の送受信機特定大気温度から大気温度を決定するステップ1074を含む。一実施形態では、ステップ1074は、送受信機特定大気温度の平均として大気温度を計算する。この平均は、例えば、より高い品質のデータを生成する送受信機がより大きい重みを割り当てられるように、ステップ1020において決定されたLIDAR信号品質による重みを用いた加重平均であり得る。ステップ1074は、(a)エアロゾル散乱に基づく1つ以上の送受信機特定大気温度および(b)分子散乱に基づく1つ以上の送受信機特定大気温度に基づいて、大気温度の単一の推定値を決定し得る。
ステップ1076は、大気圧を決定する。大気温度の2つ以上の送受信機特定尺度が、ステップ1056において取得され、ステップ1060において保持される場合、ステップ1076は、複数の送受信機特定大気圧から大気圧を決定するステップ1078を含む。ステップ1076は、送受信機特定大気圧の平均として大気圧を計算し得る。この平均は、例えば、より高い品質のデータを生成する送受信機がより大きい重みを割り当てられるように、ステップ1020において決定されたLIDAR信号品質による重みを用いた加重平均であり得る。ステップ1078は、(a)エアロゾル散乱に基づく1つ以上の送受信機特定大気温度および(b)分子散乱に基づく1つ以上の送受信機特定大気温度に基づいて、大気温度の単一の推定値を決定し得る。
ステップ1080は、対気速度を決定する。ステップ1080は、速度データが共通平面内にない4つ以上の送受信機に対して利用可能であるかどうかを決定するステップ1082を含む。該当する場合、ステップ1080は、ステップ1084に進む。そうでなければ、ステップ1080は、ステップ1088に進む。ステップ1080は、レーザビームの既知の幾何学形状を利用して、フルベクトル速度を計算する。一例では、ステップ1080は、レーザビーム310の既知の幾何学形状を利用して、飛行体190のフルベクトル速度を計算する。速度データが4つ以上の送受信機から利用可能である場合、ステップ1084は、フルベクトル速度をステップ1052の送受信機特定速度に適合させるステップ1086を含み得る。ステップ1088は、ステップ1088において考慮された各レーザビームに関連付けられる既知のレーザビーム幾何学形状を使用して、その水線速度を推定する。ステップ1088は、フルベクトル速度が主として軸方向であると仮定するステップ1089を含み得る。ステップ1089を実装するステップ1088の一例では、ステップ1088は、各レーザビームに沿って測定された速度が、レーザビームの伝搬方向上への軸方向速度の投影であると仮定する。ステップ1088は、次いで、この仮定された投影を反転させ、水線速度の推定値を生成する。速度データが2つの送受信機から利用可能である場合、ステップ1088は、2つの送受信機特定速度の平均として水線速度を推定し得る。この平均は、ステップ1020において決定されたLIDAR信号品質に従って重み付けられ得る。代替として、速度データが2つの送受信機から利用可能である場合、ステップ1088は、2次元速度ベクトルを推定するように、フルベクトル速度が2つの対応するレーザビームが及ぶ平面内におけるある方向にあると仮定し得る。これは、水線速度と水線に直交する1つの方向における速度との推定を可能にし得る。
一実施形態では、ステップ1080は、この対気速度の2つの別個の推定値から対気速度(例えば、フルベクトル速度)を決定し、2つの推定値のうちの一方は、エアロゾル散乱に基づき、他方の推定値は、分子散乱に基づく。
ある実施形態では、方法1000は、光学ベースのエアデータパラメータを飛行制御システム280等の飛行制御システムに通信するステップ1090をさらに含む。
本明細書の範囲から逸脱することなく、方法1000は、1つ以上の光学ベースのエアデータパラメータの各々の2つの推定値を生成するために、エアロゾル散乱と分子散乱とに対して並行して実施され得、一方の推定値は、エアロゾル散乱に基づき、他方の推定値は、分子散乱に基づく。ステップ1090は、エアロゾル散乱ベースおよび分子散乱ベースのエアデータパラメータの両方を出力し得る。
さらに、本明細書の範囲から逸脱することなく、ステップ1010は、サードパーティLIDARモジュールからLIDAR測定値を受信するステップによって置換され得る。この場合、方法1010は、データ処理モジュール120のみによって実施され得る。ステップ1010を伴わない方法1000が、LIDAR命令262内にエンコードされ得る。
図11は、OADS100等の光学エアデータシステムを用いて従来のエアデータシステムを増強するための一例示的方法1100を図示する。ステップ1100において、方法1100は、光学測定値からエアデータパラメータを決定する。ステップ1110は、光学ベースのエアデータパラメータを決定するために方法900を実施するステップ1112を実装し得る。ステップ1110の一例では、OADS100は、方法900を実施する。
ステップ1120において、方法1100は、ピトー静的管等の従来のセンサによる測定値に基づいて、従来のエアデータパラメータを決定する。ステップ1120の一例では、従来のセンサシステム130は、従来のエアデータパラメータを決定する。
ステップ1130において、方法1100は、ステップ1110の光学ベースのエアデータパラメータとステップ1120の従来のエアデータパラメータとを処理し、飛行システムによって使用されるべき最終エアデータパラメータを決定する。ステップ1130の一例では、投票モジュール282が、(a)データ処理モジュール120から受信された光学エアデータパラメータと(b)従来のセンサシステム130から受信された従来のエアデータパラメータとを処理し、最終エアデータパラメータを決定する。ステップ1130は、ある大気条件下の異なるタイプのエアデータの妥当性についての一般的知識を利用し、および/またはエアデータ自体に基づいて、異なるタイプのエアデータの妥当性を評価し得る。
一実施形態では、ステップ1130は、ステップ1132および1134を含む。ステップ1132は、光学ベースのエアデータパラメータを利用し、少なくとも1つの大気性質を識別する。ステップ1132の一例では、投票モジュール282は、大気条件の性質を示す1つ以上のエアデータパラメータを受信する。ステップ1134は、ステップ1132において識別された少なくとも1つの大気性質に基づいて、光学ベースのエアデータパラメータおよび従来のエアデータパラメータの妥当性を評価する。ステップ1134の一例では、投票モジュールは、ステップ1132において決定された大気条件下で信頼性がないと把握されるセンサタイプによる測定値に基づくエアデータパラメータを選択解除する。ステップ1132および1134の例では、投票モジュール282は、データ処理モジュール120から、高エアロゾル濃度および氷点またはそれを下回る温度を受信し、飛行体190が着氷条件の環境にあると決定する。この情報に基づいて、投票モジュール282は、これらが着氷条件において失敗しやすいので、ピトー静的管からのデータを選択解除する。ステップ1132および1134の別の例では、投票モジュール282は、データ処理モジュール120から、高エアロゾル濃度および高温を受信し、飛行体190の周辺の空気中に多くの火山灰が存在すると決定する。この情報に基づいて、投票モジュール282は、ピトー静的管等の空気流ベースの従来のセンサからのデータを選択解除する。なお別の例では、ステップ1132および1134は、分子散乱とエアロゾル散乱との比率を利用し、大気性質を決定し、それに基づいて、最も正確なエアデータを選択する。
別の実施形態では、ステップ1130は、どのエアデータパラメータが最も正確であるかを決定するために、異なるエアデータパラメータ間の内部一貫性チェックを実施するステップ1136を含む。
ステップ1130は、投票モジュール282の非一過性メモリ内にエンコードされる機械読み取り可能な命令として実装され得、投票モジュール282または飛行制御システム280は、ステップ1130を実施するためにそのような機械読み取り可能な命令を実行するプロセッサを含み得る。ある実施形態では、これらの機械読み取り可能な命令は、非一過性メモリ内にエンコードされ、サードパーティコンピュータシステム上でのインストールのために構成されるスタンドアロンソフトウェア製品として供給される。本明細書の範囲から逸脱することなく、ステップ1130は、入力として光学ベースのエアデータパラメータおよび従来のエアデータパラメータをとるスタンドアロン方法であり得る。
特徴の組み合わせ
上で説明される特徴ならびに下記に請求されるそれらは、本明細書の範囲から逸脱することなく種々の方法で組み合わせられ得る。例えば、本明細書に説明される1つの光学エアデータシステムまたは方法の側面は、本明細書に説明される別の光学エアデータシステムまたは方法の特徴を組み込むこと、もしくはそれと交換され得ることを理解されたい。以下の実施例は、上で説明される実施形態のいくつかの可能な非限定的組み合わせを例証する。多くの他の変更および修正が、本発明の精神および範囲から逸脱することなく、本明細書のシステムに成され得ることが明白であるはずである。
(A1)OADSが、(a)少なくとも3つのレーザビームを放出し、レーザビームの各々の後方反射成分を測定するように構成されているLIDARモジュールと、(b)プロセッサと、プロセッサによって実行されると、少なくとも1つの光学ベースのエアデータパラメータを後方反射成分のLIDARモジュールによる測定値に適合させ、少なくとも1つの光学ベースのエアデータパラメータを決定する機械読み取り可能な命令とを含むデータ処理モジュールとを含み得る。
(A2)(A1)として表されるOADSでは、少なくとも3つのレーザビームは、4つのレーザビームを含み得、機械読み取り可能な命令は、プロセッサによって実行されると、少なくとも1つの光学ベースのエアデータパラメータを全ての4つのレーザビームの後方反射成分の測定値に適合させ、少なくとも1つの光学ベースのエアデータパラメータを決定する命令を含み得る。
(A3)(A1)および(A2)として表されるOADSのいずれかでは、少なくとも3つのレーザビームは、4つのレーザビームを含み得、LIDARモジュールは、各々が4つのレーザビームのうちのそれぞれの1つを生成し、関連付けられる後方反射成分を測定するように構成される4つのレーザ送受信機を含み得、機械読み取り可能な命令は、プロセッサによって実行されると、(i)レーザ送受信機のいずれかが誤っているかどうかを決定し、(ii)少なくとも1つの光学ベースのエアデータパラメータを誤っていないレーザビームのみの後方反射成分の測定値に適合させる命令を含み得る。
(B1)OADSが、(a)少なくとも3つのレーザビームを放出し、レーザビームの各々のエアロゾル散乱および分子散乱の両方を測定するように構成されているLIDARモジュールと、(b)プロセッサと、プロセッサによって実行されると、(i)エアロゾル散乱および分子散乱に基づいて、少なくとも1つの光学ベースのエアデータパラメータの2つの推定値をそれぞれ決定し、(ii)2つの推定値を評価し、少なくとも1つの光学ベースのエアデータパラメータを精緻化する機械読み取り可能な命令とを含むデータ処理モジュールとを含み得る。
(C1)飛行体上での実装のためのOADSが、(a)少なくとも3つのレーザビームを放出し、レーザビームの各々のエアロゾル散乱および分子散乱の両方を測定するように構成されているLIDARモジュールと、(b)プロセッサと、プロセッサによって実行されると、(i)飛行体のフルベクトル速度、(ii)分子散乱に基づく飛行体における大気温度、および(iii)分子散乱に基づく飛行体における大気圧を決定する、機械読み取り可能な命令とを含むデータ処理モジュールとを含み得る。
(C2)(C1)として表されるOADSでは、機械読み取り可能な命令は、分子散乱およびエアロゾル散乱に基づいて、フルベクトル速度の2つの推定値をそれぞれ生成し、2つの推定値に基づいて、精緻化されたフルベクトル速度を決定するように構成され得る。
(C3)(C1)および(C2)として表されるOADSのいずれかでは、機械読み取り可能な命令は、複数のエアデータパラメータのうちの別の1つに基づいて、フルベクトル速度、大気温度、および大気圧に関連付けられる複数のエアデータパラメータのうちの1つの正確度を評価するように構成され得る。
(C4)(C1)-(C3)として表されるOADSのいずれかでは、LIDARモジュールは、エアロゾル散乱および分子散乱のうちの一方または両方に起因するレーザビームの後方反射成分の検出のための1つ以上の視野を有し得、視野とレーザビームとの間の重複は、短距離LIDAR測定のためにLIDARモジュールから2メートル以内にある。
(D1)光学エアデータ方法が、少なくとも3つのレーザビームからLIDAR測定値を取得することと、少なくとも1つの光学ベースのエアデータパラメータをLIDAR測定値に適合させ、少なくとも1つの光学ベースのエアデータパラメータを決定することを含み得る。
(D2)(D1)として表される光学エアデータ方法では、適合させるステップは、少なくとも3つのレーザビームのうちの1つ以上のものが有効なLIDAR測定値を提供しないとき、少なくとも1つの光学ベースのエアデータパラメータを少なくとも3つのレーザビームのうちの残りのものに適合させることを含み得る。
(D3)(D2)として表される光学エアデータ方法では、少なくとも1つの光学ベースのエアデータパラメータを残りのものに適合させるステップは、速度を推定するためにレーザビームの既知の幾何学形状を使用することを含み得る。
(D4)(D2)および(D3)として表される光学エアデータ方法のいずれかでは、少なくとも3つのレーザビームのうちの残りのものは、単一のレーザビームであり得、少なくとも1つの光学ベースのエアデータパラメータは、速度、大気圧、および大気温度を含み得る。
(E1)光学エアデータ方法が、(a)少なくとも3つのレーザビームの各々から分子散乱LIDAR測定値およびエアロゾル散乱LIDAR測定値を取得するステップと、(b)(i)分子散乱LIDAR測定値に基づく大気圧および温度ならびに(ii)分子散乱LIDAR測定値およびエアロゾル散乱LIDAR測定値のうちの一方または両方に基づくフルベクトル速度を含む光学ベースのエアデータパラメータを決定することとを含み得る。
(E2)(E1)として表される光学エアデータ方法では、フルベクトル速度を決定するステップは、少なくとも、有効なエアロゾル散乱LIDAR測定値を取得するために不十分なエアロゾル濃度を伴う高度における分子散乱LIDAR測定値に基づき得る。
(E3)(E1)および(E2)として表される光学エアデータ方法のいずれかは、機械的エアデータパラメータを取得することと、光学ベースのエアデータパラメータおよび機械的エアデータパラメータを評価し、最終エアデータパラメータを決定することとをさらに含み得る。
(E4)(E3)として表される光学エアデータ方法では、評価するステップは、光学ベースのエアデータパラメータに基づいて、少なくとも1つの大気性質を識別することと、少なくとも1つの大気性質に基づいて、光学ベースのエアデータパラメータおよび機械的エアデータパラメータの妥当性を評価することとを含み得る。
(E5)(E4)として表される光学エアデータ方法は、少なくとも1つの大気性質に基づいて、機械的エアデータパラメータのうちの少なくとも1つを破棄することをさらに含み得る。
(E6)(E4)および(E5)として表される光学エアデータ方法のいずれかでは、少なくとも1つの大気性質は、エアロゾル質量密度またはエアロゾル濃度を含み得る。
(E7)(E1)-(E6)として表される光学エアデータ方法のいずれかでは、取得するステップは、レーザビームの後方反射成分を測定することを含み、後方反射成分は、短距離LIDAR測定のために、レーザビームを生成する送受信機の2メートル以内の散乱事象に由来し得る。
(E8)(E1)-(E7)として表される光学エアデータ方法のいずれかでは、決定するステップは、側方速度および垂直速度を決定することを含み得る。
(F1)飛行体のための光学エアデータシステムが、(a)全てが共通平面内に位置するわけではない少なくとも3つのレーザビームを放出し、レーザビームの各々の後方散乱成分のLIDAR測定を実施するように構成されているLIDARモジュールと、(b)プロセッサと、プロセッサによって実行されると、LIDAR測定値を処理し、少なくとも1つの光学ベースのエアデータパラメータを決定する、機械読み取り可能な命令とを含むデータ処理モジュールとを含み得る。
(F2)(F1)として表される光学エアデータシステムでは、レーザビームとLIDARモジュールの視野との間の重複は、飛行体から2メートル以内の少なくとも1つの光学ベースのエアデータパラメータを決定するために、LIDARモジュールから2メートル以内にあり得る。
(F3)(F2)として表される光学エアデータシステムにおけるレーザビームの各々に対して、LIDARモジュールは、LIDARモジュールから2メートル以内にそれぞれのレーザビームと重複する視野を有する光検出器を含み得る。
(F4)(F1)-(F3)として表される光学エアデータシステムのいずれかでは、機械読み取り可能な命令は、プロセッサによって実行されると、LIDAR測定値の品質を評価し、許容可能な品質のLIDAR測定値を選択することと、許容可能な品質のLIDAR測定値のみに基づいて、少なくとも1つの光学ベースのエアデータパラメータを決定することとを実施するように構成され得る。
(F5)(F4)として表される光学エアデータシステムでは、機械読み取り可能な命令は、プロセッサによって実行されると、決定するステップにおいて、飛行体の対気速度、大気温度、および大気圧を決定するように構成され得る。
(F6)(F4)および(F5)として表される光学エアデータシステムのいずれかでは、機械読み取り可能な命令は、プロセッサによって実行されると、決定するステップにおいて、(i)許容可能な品質のLIDAR測定値が、全てが共通平面内に位置するわけではない4つ以上のレーザビームの各々に対して利用可能であるとき、飛行体のフルベクトル速度を決定することと、(ii)許容可能な品質のLIDAR測定値が、レーザビームのうちの1つまたは2つのみに対して利用可能であるとき、飛行体の水線速度の推定値を決定することとを行うように構成され得る。
(F7)(F1)-(F6)として表される光学エアデータシステムのいずれかでは、少なくとも3つのレーザビームは、4つのレーザビームを含み得る。
(F8)(F7)として表される光学エアデータシステムでは、機械読み取り可能な命令は、プロセッサによって実行されると、後方散乱成分に基づいて、LIDAR測定値の品質を評価し、許容可能な品質のLIDAR測定値を選択するステップと、LIDAR測定値が、4つのレーザビームの各々に対して許容可能な品質であるとき、4つのレーザビームの全てのLIDAR測定値に基づいて、飛行体のフルベクトル速度を計算するステップとを実施するように構成され得る。
(F9)(F1)-(F8)として表される光学エアデータシステムのいずれかでは、機械読み取り可能な命令は、プロセッサによって実行されると、少なくとも1つの光学ベースのエアデータパラメータをLIDAR測定値に適合させ、少なくとも1つの光学ベースのエアデータパラメータを決定するように構成され得る。
(F10)(F1)-(F9)として表される光学エアデータシステムのいずれかでは、LIDARモジュールは、レーザビームの各々に対して、エアロゾル散乱に基づく第1のLIDAR測定値および分子散乱に基づく第2のLIDAR測定値を取得するように構成され得る。
(F11)(F10)として表される光学エアデータシステムでは、機械読み取り可能な命令は、プロセッサによって実行されると、第1のLIDAR測定値および第2のLIDAR測定値に基づいて、少なくとも1つの光学ベースのエアデータパラメータの2つの推定値をそれぞれ決定するステップと、2つの推定値を評価し、少なくとも1つの光学ベースのエアデータパラメータを精緻化するステップとを実施するように構成され得る。
(F12)(F11)として表される光学エアデータシステムでは、機械読み取り可能な命令は、プロセッサによって実行されると、第1のLIDAR測定値および第2のLIDAR測定値に基づいて、フルベクトル速度の2つの推定値をそれぞれ生成するステップと、2つの推定値に基づいて、精緻化されたフルベクトル速度を決定するステップとを実施するように構成され得る。
(F13)(F10)-(F12)として表される光学エアデータシステムのいずれかでは、機械読み取り可能な命令は、プロセッサによって実行されると、(i)飛行体のフルベクトル速度、(ii)分子散乱に基づく飛行体における大気温度、および(iii)分子散乱に基づく飛行体における大気圧を決定するように構成され得る。
(F14)(F1)-(F13)として表される光学エアデータシステムのいずれかでは、機械読み取り可能な命令は、プロセッサによって実行されると、LIDAR測定値に基づいて、(1)飛行体のフルベクトル速度、大気温度、および大気圧を決定するステップと、(2)複数のエアデータパラメータのうちの別の1つに基づいて、フルベクトル速度、大気温度、および大気圧のうちの1つの正確度を評価するステップとを実施するように構成され得る。
(F15)(F1)-(F14)として表される光学エアデータシステムのいずれかは、少なくとも1つの機械的エアデータパラメータを生成するための機械的センサシステムと、飛行体の動作を少なくとも部分的に制御するための飛行制御システムとをさらに含む、飛行体内に実装され得る。
(F16)(F15)として表される光学エアデータシステムでは、飛行制御システムは、飛行体の動作を制御するために、少なくとも1つの光学ベースのエアデータパラメータおよび少なくとも1つの機械的エアデータパラメータから少なくとも1つの最終エアデータパラメータを選択するための投票モジュールを含み得る。
(G1)飛行体のためのエアデータパラメータを決定する方法が、共通平面内に位置しない少なくとも3つのレーザビームからLIDAR測定値を取得することと、LIDAR測定値を処理し、少なくとも1つの光学ベースのエアデータパラメータを決定することとを含み得る。
(G2)(G1)として表される方法では、取得するステップは、飛行体から2メートル以内の少なくとも1つの光学ベースのエアデータパラメータを決定するために、飛行体から2メートル以内の散乱事象からLIDAR測定値を取得することを含み得る。
(G3)(G1)および(G2)として表される方法の一方または両方では、処理するステップは、(a)分子散乱に基づくLIDAR測定値から大気圧および温度を決定するステップと、(b)エアロゾル散乱に基づくLIDAR測定値および分子散乱に基づくLIDAR測定値のうちの一方または両方からフルベクトル速度を決定するステップとを含み得る。
(G4)(G3)として表される方法では、決定するステップは、少なくとも、分子散乱に基づくLIDAR測定値が有効なエアデータパラメータを提供するために不十分なエアロゾル濃度を伴う高度において、分子散乱に基づくLIDAR測定値からフルベクトル速度を決定することを含み得る。
(G5)(G1)-(G4)として表される方法のいずれかは、少なくとも1つの機械的エアデータパラメータを取得することと、少なくとも1つの光学ベースのエアデータパラメータおよび少なくとも1つの機械的エアデータパラメータを評価し、少なくとも1つの最終エアデータパラメータを決定することとをさらに含み得る。
(G6)(G5)として表される方法では、評価するステップは、少なくとも1つの光学ベースのエアデータパラメータに基づいて、少なくとも1つの大気性質を識別することと、少なくとも1つの大気性質に基づいて、少なくとも1つの光学ベースのエアデータパラメータおよび少なくとも1つの機械的エアデータパラメータの妥当性を評価することとを含み得る。
(G7)(G6)として表される方法は、少なくとも1つの大気性質に基づいて、少なくとも1つの機械的エアデータパラメータを破棄することをさらに含み得る。
(G8)(G6)および(G7)として表される方法のいずれかでは、少なくとも1つの大気性質は、エアロゾル質量密度およびエアロゾル濃度のうちの少なくとも1つを含み得る。
(G9)(G1)-(G8)として表される方法のいずれかでは、処理することは、LIDAR測定値の品質を評価し、許容可能な品質のLIDAR測定値を選択するステップと、許容可能な品質のLIDAR測定値のみに基づいて、少なくとも1つの光学ベースのエアデータパラメータを生成することとを含み得る。
(G10)(G9)として表される方法では、決定するステップは、(a)許容可能な品質のLIDAR測定値が、全てが共通平面内に位置するわけではない4つ以上のレーザビームの各々に対して利用可能であるとき、飛行体のフルベクトル速度を決定することと、(b)許容可能な品質のLIDAR測定値が、レーザビームのうちの1つまたは2つのみに対して利用可能であるとき、飛行体の水線速度を推定することとを含み得る。
(G11)(G10)として表される方法では、水線速度を推定するステップは、飛行体が、主として、軸方向に進行していると仮定することを含み得る。
(G12)(G1)-(G11)として表される方法のいずれかでは、取得するステップは、改良された冗長性のために、全てが共通平面内に位置するわけではない4つのレーザからLIDAR測定値を取得することを含み得る。
(G13)(G12)として表される方法では、決定するステップは、LIDAR測定値の品質を評価し、許容可能な品質のLIDAR測定値を選択することと、LIDAR測定値が、4つのレーザビームの各々に対して許容可能な品質であるとき、4つのレーザビームの全てのLIDAR測定値に基づいて、飛行体のフルベクトル速度を計算することとを含み得る。
(G14)(G1)-(G13)として表される方法のいずれかでは、処理するステップは、少なくとも1つの光学ベースのエアデータパラメータをLIDAR測定値に適合させ、少なくとも1つの光学ベースのエアデータパラメータを決定することを含み得る。
変更が、本明細書の範囲から逸脱することなく、上記のシステムおよび方法において成され得る。したがって、上記の説明に含まれ、付随の図面に示される事柄は、限定的意味においてではなく、例証として解釈されるべきであることに留意されたい。以下の請求項は、本明細書に説明される一般的かつ具体的特徴、ならびに言語の問題としてその間に該当すると考えられ得る、方法およびシステムの範囲の全ての文言を対象とするように意図される。
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